Aterrizaje de precisión en la red atómica: nuevas vías para mejorar la catálisis y la detección de gases
Una innovadora combinación de métodos permite localizar con precisión átomos individuales en materiales ultrafinos
Un equipo de investigadores de la Universidad de Viena y la Universidad Tecnológica de Viena ha logrado incorporar selectivamente átomos individuales de platino a un material ultrafino y, por primera vez, ha podido demostrar con precisión atómica qué lugar ocupan en la red. Esto ha sido posible gracias a una nueva combinación de métodos que incluye la creación de defectos en el material portador, la incorporación controlada de átomos individuales de platino y un proceso de obtención de imágenes electrónicas de alto contraste ("ptychography"). El trabajo, publicado en la revista Nano Letters, aporta nuevos enfoques para la modificación selectiva de materiales.
Para que los materiales sean especialmente eficaces en aplicaciones como la catálisis (aceleración de reacciones químicas) o la detección de determinados gases, es necesario personalizarlos a nivel atómico. Los denominados centros activos (puntos diminutos en la superficie del material donde se producen reacciones químicas o donde las moléculas de gas pueden acoplarse de forma selectiva) son cruciales en este caso. Estos centros son especialmente eficaces si están formados por átomos metálicos individuales, como el platino. El objetivo del presente estudio era producir este tipo de material y, al mismo tiempo, visualizar su estructura a nivel atómico.
Una mirada al entramado atómico
Como material portador se utilizó disulfuro de molibdeno (MoS2), un semiconductor ultrafino caracterizado por su buena modificabilidad. Con el fin de crear espacio para nuevos centros activos, el equipo de investigación utilizó el bombardeo de iones de helio para crear defectos microscópicos ("ingeniería de defectos") en la superficie del MoS₂ -por ejemplo, huecos de azufre- y luego los rellenó con átomos individuales de platino. Este intercambio controlado de átomos en la red ("dopaje") puede utilizarse para modificar específicamente las propiedades de los materiales.
Hasta ahora, sin embargo, se carecía de pruebas precisas de dónde se encontraban exactamente los átomos extraños introducidos en la red atómica, ya que los distintos tipos de defectos -como los huecos de azufre simples o dobles- apenas pueden distinguirse mediante microscopía electrónica convencional debido al escaso contraste. Por ello, los investigadores recurrieron a la pticografía de banda lateral única (SSB), un método de obtención de imágenes de última generación basado en el análisis de patrones de difracción de electrones. El primer autor del estudio, David Lamprecht, que inició la investigación en la Universidad de Viena y ahora la prosigue en el Instituto de Microelectrónica de la Universidad Técnica de Viena, explica: "Con nuestra combinación de ingeniería de defectos, dopaje y ptychography, hemos logrado visualizar incluso las diferencias más sutiles en la red atómica, y demostrar claramente si un átomo de platino estaba realmente integrado en un hueco o simplemente se encuentra suelto en la superficie". Con ayuda de simulaciones por ordenador, fue posible identificar con precisión los distintos lugares de instalación (por ejemplo, lugares de azufre o molibdeno), un paso decisivo para el diseño de materiales específicos.
Dos aplicaciones, un átomo
La combinación de la incorporación selectiva y la obtención de imágenes con precisión atómica abre nuevas posibilidades para dos campos clave del futuro: la catálisis y la detección de gases. Los átomos individuales de platino situados en lugares definidos con precisión pueden actuar como catalizadores especialmente eficaces, por ejemplo en la producción de hidrógeno respetuosa con el medio ambiente. Al mismo tiempo, el material puede personalizarse para que sólo reaccione ante determinadas moléculas de gas. "Con este control sobre los lugares de instalación, podemos desarrollar sensores funcionalizados selectivamente, lo que supone una mejora significativa respecto a los métodos existentes", subraya Jani Kotakoski, último autor y jefe del grupo de investigación de la Facultad de Física de la Universidad de Viena.
Bloques de construcción para materiales funcionales
La combinación de métodos presentada puede aplicarse no sólo al platino y al MoS2, sino en principio a muchas otras combinaciones de materiales 2D y átomos dopantes. En el futuro, el método se perfeccionará, por ejemplo mediante un control más preciso de la formación de defectos o tratamientos posteriores adicionales. El objetivo es desarrollar materiales funcionales con propiedades personalizadas en los que cada átomo esté en el lugar adecuado.
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